在全球气候变化的威胁下，保障粮食产量的同时减少农业污染是一项重大挑战。氮素是限制作物产量并影响农业面源污染的重要元素，其在农业系统中的利用和损失也受到气候变化的影响。然而，目前尚未充分了解气候变化如何影响农田氮的使用和损失。为了回答这一问题，浙江大学环境与资源学院谷保静教授等在国家自然科学基金等项目的支持下，与英国生态水文中心、河海大学等单位合作，通过对全球150多个国家1961-2018年的历史数据进行统计分析，使用温度和降水两个指标，从时间和空间维度量化了气候变化对全球作物氮产量、氮肥施用量、氮素利用效率(NUE)和氮流失的影响。该研究结果以为题“Climate change unequally affects nitrogen use and losses in global croplands”，发表在Nature Food上。
主要结果
本研究发现，在1961年至2018年期间，预计与全球变暖有关的农田氮产量、氮肥施用量、NUE和氮流失平均每年分别变化-6.5%、-1.9%、0.2%和-2.2%。然而，这些影响在全球各地区存在着较大的空间差异。以2018年为例，与全球变暖有关的NUE增加出现在了全球56%的国家，增加量约为5%(不同国家为0-24%)。同时，29%、58%和52%的国家分别出现了与气候变暖有关的氮产量增加、氮肥施用下降和氮素流失减少，主要分布在欧洲、大洋洲和拉丁美洲。不同国家对气候变化的响应差异，对全球农业氮素利用和损失带来了不平等的影响。如果考虑降水变化，这种不平等的影响将进一步加剧。
温度、降水和农地规模变化对2018年农业氮产量、施肥、NUE和氮流失的不平等影响
本研究发现，农地规模与农业氮产量和NUE呈显著正相关，但与氮肥施用呈负相关。这主要是由于大规模农场通常配备有更好的农业设施，如排水和灌溉设施，鼓励农民拥有更科学的管理知识，提高其适应气候变化的能力，以缓解气候变化带来的负面影响。因此，适度扩大农地规模可以改善耕作方式和管理，增加作物氮产量，提升农田NUE且减少氮素流失，从而有利于粮食生产和环境保护。
在SSP1-RCP2.6情景下，全球平均农地规模将比目前水平增加约10倍。这将会使全球农田NUE从2015年的44%增加到2100年的74%，产量增加92%，施肥量减少32%，氮流失减少23%。更重要的是，合理管理农地规模可以平衡温度和降水变化对全球NUE和氮盈余影响的空间差异，从而减少全球农业在氮素利用和流失方面的不平等。
气候与农地规模的交互对农田氮素利用和损失的作用
写在后面
本研究不仅为全球气候变化与农田氮素利用和损失提供了新颖见解，也为农业发展提供了适应气候变化的潜在路径，这为应对气候变化威胁、保障粮食安全，实现全球可持续发展目标(如消除饥饿、减少不平等和可持续的保护环境)提供了至关重要的科学支撑。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s43016-023-00730-z
第一作者简介
任琛琛，浙江大学土地资源管理专业博士，即将赴斯坦福卡耐基研究所从事博士后研究，主要研究方向是农地规模与农业可持续发展。以第一作者在Nature、Nature Food、Journal of Cleaner Production、Agriculture Ecosystems & Environment等期刊上发表论文。
通讯作者简介
谷保静，浙江大学环境与资源学院教授，主要从事资源与环境管理领域的交叉研究，在区域氮循环模型构建、资源环境效应评估、成本收益分析及其调控等方面取得了创新成果。发表论文百余篇，包括Science、Nature、PNAS、Nature Sustainability、Nature Food、Nature Communications等期刊。担任国际氮素协会东亚中心副主任，联合国环境署氮素管理系统工作组长，中国土壤学会氮素工作组委员，Earth's Future、The Innovation等期刊编委。2023年获得“前沿地球科学奖”国际冠军。个人主页：https://person.zju.edu.cn/bjgu